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铅蓄电池

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铅蓄电池(Lead–acid battery)是一个电池系统,于1859年由普兰特发明,为全球上使用最广泛的化学电源。铅蓄电池放电时电动势较稳定、工作电压平稳、使用温度及使用电流范围宽、能充放电数百个循环、贮存性能好(尤其适于干式荷电贮存)、造价较低,应用广泛。铅蓄电池有比能量(单位重量所蓄电能)小、对环境腐蚀性强等缺点。铅蓄电池(Lead–acid battery):其体积和重量一直无法获得有效

铅蓄电池(Lead–acid battery):其体积和重量一直无法获得有效的改善,因此目前最常见还是使用在汽车、摩托车发动之上。铅酸电池最大的改良,则是新近采用高效率氧气重组技术完成水份再生,藉此达到完全密封不需加水的目的,而制成的“免加水电池”其寿命可长达4年(单一极板电压 2V)。

铅酸蓄电池自1859年由普兰特发明以来,至今已有150多年的历史,技术十分成熟,是全球上使用最广泛的化学电源。尽管近年来镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等新型电池相继问世并得以应用,但铅酸蓄电池仍然凭借大电流放电性能强、电压特性平稳、温度适用范围广、单体电池容量大、安全性高和原材料丰富且可再生利用、价格低廉等一系列优势,在绝大多数传统领域和一些新兴的应用领域,占据着牢固的地位。

铅蓄电池的组成:极板、隔板、壳体、电解液、铅连接条、极柱等

1.正、负极板

分类及构成:极板分正极板和负极板两种,均由栅架和填充在其上的活性物质构成。[1]

作用:蓄电池充、放电过程中,电能和化学能的相互转换,就是依靠极板上活性物质和电解液中硫酸的化学反应来实现的。

颜色区分:正极板上的活性物质是二氧化铅(PbO2),呈深棕色;负极板上的活性物质是海绵状纯铅(Pb),呈青灰色。

栅架的作用:容纳活性物质并使极板成形。

极板组:为增大蓄电池的容量,将多片正、负极板分别并联焊接,组成正、负极板组。

安装的特别要求:安装时正负极板相互嵌合,中间插入隔板。在每个单体电池中,负极板的数量总比正极板多一片。

2.隔板

作用:为了减小蓄电池的内阻和尺寸,蓄电池内部正负极板应尽可能地靠近;为了避免彼此接触而短路,正负极板之间要用隔板隔开。

材料要求:隔板材料应具有多孔性和渗透性,且化学性能要稳定,即具有良好的耐酸性和抗氧化性。

材料:常用的隔板材料有木质隔板、微孔橡胶、微孔塑料、玻璃纤维和纸板等。

安装要求:安装时隔板上带沟槽的一面应面向正极板。

3.壳体

作用:用来盛放电解液和极板组

材料:由耐酸、耐热、耐震、绝缘性好并且有一定力学性能的材料制成。

结构特点:壳体为整体式结构,壳体内部由间壁分隔成3个或6个互不相通的单格,底部有突起的肋条以搁置极板组。肋条之间的空间用来积存脱落下来的活性物质,以防止在极板间造成短路,极板装入壳体后,上部用与壳体相同材料制成的电池盖密封。在电池盖上对应于每个单格的顶部都有一个加液孔,用于添加电解液和蒸馏水,也可用于检查电解液液面高度和测量电解液相对密度。

4.电解液

作用:电解液在电能和化学能的转换过程即充电和放电的电化学反应中起离子间的导电作用并参与化学反应。

成分:它由纯硫酸和蒸馏水按一定比例配制而成,而其密度一般为1.24~1.30g/ml。

特别注意点:电解液的纯度是影响蓄电池的性能和使用寿命的重要因素。

5.单体电池的串接方式

蓄电池一般都由3个或6个单体电池串联而成,额定电压分别为6V或12V。

串接方式:单体电池的串接方式一般有传统外露式、穿壁式和跨越式三种方式。

这种连接方式工艺简单,但耗铅量多,连接电阻大,因而起动时电压降大、功率损耗也大,且易造成短路。

穿壁式连接方式:是在相邻单体电池之间的间壁上打孔供连接条穿过,将两个单体电池的极板组极柱连焊在一起。

跨越式连接方式:在相邻单体电池之间的间壁上边留有豁口,连接条通过豁口跨越间壁将两个单体电池的极板组极柱相连接,所有连接条均布置在整体盖的下面。

穿壁式和跨越式连接方式与传统外露式铅连接条连接方式相比,有连接距离短、节约材料、电阻小、起动性能好等优点。

铅蓄电池由正极板群、负极板群、电解液和容器等组成。充电后的正极板是棕褐色的二氧化铅(PbO),负极板是灰色的绒状铅(Pb),当两极板放置在浓度为27%~37%的硫酸(HSO)水溶液中时,极板的铅和硫酸发生化学反应,二价的铅正离子(Pb2+)转移到电解液中,在负极板上留下两个电子(2e-)。由于正负电荷的引力,铅正离子聚集在负极板的周围,而正极板在电解液中水分子作用下有少量的二氧化铅(PbO)渗入电解液,其中两价的氧离子和水化合,使二氧化铅分子变成可离解的一种不稳定的物质——氢氧化铅〔Pb(OH))。氢氧化铅由4价的铅正离子(Pb4+)和4个氢氧根〔4(OH)-〕组成。4价的铅正离子(Pb4+)留在正极板上,使正极板带正电。由于负极板带负电,因而两极板间就产生了一定的电位差,这就是电池的电动势。当接通外电路,电流即由正极流向负极。在放电过程中,负极板上的电子不断经外电路流向正极板,这时在电解液内部因硫酸分子电离成氢正离子(H+)和硫酸根负离子(SO2-),在离子电场力作用下,两种离子分别向正负极移动,硫酸根负离子到达负极板后与铅正离子结合成硫酸铅(PbSO)。在正极板上,由于电子自外电路流入,而与4价的铅正离子(Pb4+)化合成2价的铅正离子(Pb2+),并立即与正极板附近的硫酸根负离子结合成硫酸铅附着在正极上。

铅酸蓄电池用填满海绵状铅的铅板作负极,填满二氧化铅的铅板作正极,并用1.28%的稀硫酸作电解质。在充电时,电能转化为化学能,放电时化学能又转化为电能。电池在放电时,金属铅是负极,发生氧化反应,被氧化为硫酸铅;二氧化铅是正极,发生还原反应,被还原为硫酸铅。电池在用直流电充电时,两极分别生成铅和二氧化铅。移去电源后,它又恢复到放电前的状态,组成化学电池。铅蓄电池是能反复充电、放电的电池,叫做二次电池。它的电压是2V,通常把三个铅蓄电池串联起来使用,电压是6V。汽车上用的是6个[2]铅蓄电池串联成12V的电池组。铅蓄电池在使用一段时间后要补充蒸馏水,使电解质保持含有22~28%的稀硫酸。

放电时,正极反应为:PbO + 4H+ + SO42- + 2e- = PbSO + 2HO

负极反应: Pb + SO2- - 2e- = PbSO

总反应: PbO + Pb + 2HSO === 2PbSO + 2HO (向右反应是放电,向左反应是充电)[3]

1)3一Q一75:由3个单体电池组成,额定电压为6V,额定容量为75A·h的起动用蓄电池。

2)6一QA一105G:由6个单体电池组成,额定电压为12V,额定容量为105A·h的起动用干荷电高起动率蓄电池。

3)6一QAW一100:由6个单体电池组成,额定电压为12V·,额定容量为100A·h的起动用干荷电免维护蓄电池。

(1)按蓄电池极板结构分类:有形成式、涂膏式和管式蓄电池;

(2)按蓄电池盖和结构分类:有开口式、排气式、防酸隔爆式和密封阀控式蓄电池;

(3)按蓄电池维护方式分类:有普通式、少维护式、免维护式蓄电池。

(4)按国家有关标准规定主要蓄电池系列产品有:

起动型蓄电池:主要用于汽车、拖拉机、柴油机船舶等起动和照明;

固定型蓄电池:主要用于通讯、发电厂、计算机系统作为保护、自动控制的备用电源;

牵引型蓄电池:主要用于各种蓄电池车、叉车、铲车等动力电源;

铁路用蓄电池:主要用于铁路内燃机车、电力机车、客车起动、照明之动力;

摩托车蓄电池:主要用于各种规格摩托车起动和照明;

煤矿用蓄电池:主要用于电力机车牵引动力电源;

储能用蓄电池:主要用于风力、水力发电电能储存。

目前铅蓄电池广泛应用于汽车、火车、拖拉机、摩托车、电动车以及通讯、电站、电力输送、仪器仪表、UPS电源和飞机、坦克、舰艇、雷达系统等领域。随着世界能源经济的发展和人民生活水平的日益提高,在二次电源使用中,铅蓄电池已占有85%以上的市场份额。铅酸蓄电池以技术成熟、成本低、大电流放电性能佳、适用温度范围广、安全性高,可做到完全回收利用等优点在汽车起动电池和电动车领域尚无法被其它电池取代[4]

随着蓄电池的放电,正负极板都受到硫化,同时电解液中的硫酸逐渐减少,而水分增多,从而导致电解液的比重下降在实际使用中,可以通过测定电解液的比重来确定蓄电池的放电程度。在正常使用情况下,铅蓄电池不宜放电过度,否则将使和活性物质混在一起的细小硫酸铅晶体结成较大的体,这不仅增加了极板的电阻,而且在充电时很难使它再还原,直接影响蓄池的容量和寿命。铅蓄电池充电是放电的逆过程。

铅酸蓄电池充、放电化学反应的原理方程式如下:

正极: PbO2 + 2e- + SO4 2- + 4H+ == PbSO4 + 2H2O

负极: Pb -2e + SO4 2- == PbSO4

阴极:PbSO4 + 2e- = Pb + SO42-;

阳极:PbSO4 + 2H2O - 2e- = PbO2 + 4H+ + SO42-。

总反应: PbO2 + 2 H2SO4 + Pb == 2 PbSO4 + 2H2O(正向放电,逆向充电)

(铅蓄电池在放电时正负极的质量都增大,原因:铅蓄电池放电时,正极极板上有PbSO4附着,质量增加:负极极板上也有PbSO4附着,所以质量也增加。)

(1) 避免将电池与金属容器直接接触,应采用防酸和阻热材料,否则会引起冒烟或燃烧。

(2)使用指定的充电器在指定的条件下充电,否则可能会引起电池过热、放气、泄露、燃烧或破裂。 (3)不要将电池安装在密封的设备里,否则可能会使设备浦破裂。

(4)将电池使用在医护设备中时,请安装主电源外的后备电源,否则主电源失效会引起伤害。

(5)将电池放在远离能产生火花设备的地方,否则火花可能会引起电池冒烟或破裂。

(6)不要将电池放在热源附近(如变压器),否则会引起电池过热、泄漏、燃烧或破裂。

(7)应用中电池数目超过一只时,请确保电池间连接无误,且与充电器或负载连接无误,否则会引起电池破裂、燃烧或电池损害,某些情况下还会伤人。

(8)特别注意别让电池砸在脚上。

(9)电池的指定使用范围如下。超出此范围可能会引起电池损害。 电池的正常操作范围为:77.F(25℃) 电池放电后(装在设备中):5.F到122.F(-15℃到50℃) 充电后:32.F到104.F(0℃到40℃) 储存中:5.F到104.F(-15℃到40℃)

(10)不要将装在机车上的电池放在高温下、直射阳光中、火炉或火前,否则可能会造成电池泄漏、起火或破裂。

(11)不要在充满灰尘的地方使用电池,可能会引起电池短路。在多尘环境中使用电池时,应定期检查电池。

(1) 使用带有绝缘套的工具如钳子等。使用不绝缘的工具会造成电池短路、发热或燃烧,损害电池。

(2) 不要将电池放置在密闭的房间或近火源的地方,否则可能会由于电池释放的氢气造成爆炸或起火。

(3) 不要用稀释剂、汽油、煤油或合成液去清洁电池。使用上述材料会导致电池外壳破裂泄漏或起火。

(4) 当处理45伏或更高电压的电池时,要采取安全措施带上绝缘橡皮手套,否则可能会遭到电击。

(5) 不要将电池放在可能被水淹的地方。如果电池浸在水中,它可能会燃烧或电击伤人。

(6) 拆卸电池时请缓慢处理。不要使电池破裂、泄漏。

(7) 将电池装在设备上时,应尽量将它装在设备的最下面,以便检查、保养和更换。

(8) 电池充电时不要搬动电池。不要低估电池的重量,不细心的处理可能会对操作者造成伤害。

(9) 不要用能产生静电的材料覆盖电池。静电会引发起火或爆炸。

(10)在电池端子、连接片上使用绝缘盖,以防电击伤人。

(11)电池的安装和维护需要合格的专人进行。不熟练的人进行那样的操作可能会造成危险。

(1) 确保在电池和设备之间和周围进行充分的绝缘措施。不充分的绝缘措施可能引起电击、短路发热、冒烟或燃烧。

(2) 充电应用充电器,直接连在直流电源可能会引起电池泄漏、发热或燃烧。

(3) 由于自放电,电池容量会缓慢减少。在储存长时间后使用前,请重新对电池充电。[5]

铅蓄电池的优点是放电时电动势较稳定,工作电压平稳、使用温度及使用电流范围宽、能充放电数百个循环、贮存性能好(尤其适于干式荷电贮存)、造价较低,因而应用广泛。 缺点是比能量(单位重量所蓄电能)小,十分笨重,对环境腐蚀性强,循环使用寿命短,自放电大,不易过放电。[6]

主要特点可以用价格便宜来描述,但对于电池内阻要求低,放电电流大的负载不太适合,使用了对电压要求不严格,比如摩托车,汽车的点火装置,只需要瞬间放电,持续大电流放电不适合铅蓄电池。

发电机组中最重要的部件就是铅蓄电池,铅蓄电池的性能稳定才能保证整个发电机组的性能良好,那么如何保证铅蓄电池的性能稳定呢?这就需要做好电池的维护保养工作了。    

首先,铅蓄电池的连接要正确,防止出现短路情况。  

铅蓄电池应该摆放在靠近发电机组,这样电池的连接线就不会过长,同时还需要将电池放在便于保养的地方。电池在链接到发电机时,首先接正极,再接负极,当负载或停机时,应及时断开链接,防止电池出现正负极短路。  

其次,做好电池的日常检查工作。   

要定期对电池进行检查,包括电池端的电压情况;电池中电解液的密度、温度、高度情况;注意电池链接先是否按照规格链接;检查电池记住是否有腐蚀情况;定期做放电测试等等,这些日常工作都是需要进行的。    

最后,电池充电工作要格外注意。    

电池充电是基本工作,应当在通风良好、没有雨雪、火花、明火环境下充电;充电最好使用原装充电机充电;充电时,电线的链接要正确;使用合理的电流进行充电;电池充电时,当温度高于45℃时,应当停止充电工作,做散热处理。    

发电机组铅蓄电池保养工作非常重要,在日常使用中一定要注意了。